Alger kan gi geniale solceller

Dagens solceller utnytter sollyset dårlig. NTNU-forskere vil revolusjonere fremtidens solceller ved å bruke alger som modeller og råmateriale.

De fleste forbinder nok alger med fiske- og skalldyrmat, eller som årsaken til forurensing og fiskedød.

Én type alger har en hemmelighet. De er nemlig en av naturens beste på å utnytte sollys.

Gjennom millioner av år har evolusjonen perfeksjonert disse algenes evne til å utnytte solenergi.

Symmetriske mønstre

Algeklassen som NTNU-forskerne jobber med heter kiselalger. Det er disse algenes unike skall som kan gi bedre og billigere solceller.

Skallene er av glass. De har små porer og symmetriske, men kompliserte mønstre der lys strømmer inn til den lille organismen uten at det slipper ut igjen.

Nøyaktig slik en god solcelle bør oppføre seg.

Gabriella Tranell og Olav Vadstein

Gabriella Tranell og Olav Vadstein har stor tro på prosjektet, men påpeker at det gjenstår lang tid før solcelleproduksjon med algeskall kan begynne.

Foto: Mathilde Torsøe

– For ti år siden fant forskerne ut at kiselalger har skall som er perfekt nanostrukturerte.

– De siste fem årene har man virkelig fått øynene opp for at algene kan ha stor nytte innen bioteknologien, sier Gabriella Tranell til NRK.no.

Hun er leder for Senter for fornybar energi på NTNU. Hun leder også "Solbiopta", et prosjekt som går ut på å lære av kiselalger og utnytte kunnskapen i solceller.

For lav utnyttelse i dag

– I dag utnytter den typiske silisiumsolcellen mellom 15- 20 % av solenergien. Det er altfor lite, sier Tranell.

Det forskerne i korte trekk gjør er å lage kopier av algenes skall i ulike materialer. Deretter tester og simulerer de kopiene, og skal senere bygge solceller ut fra mønstrene i kopiene.

Ifølge Olav Vadstein, professor i bioteknologi, er ikke forskergruppa på NTNU de eneste i verden som jobber med kiselalger.

– Men på noen områder av forskningen er vi de eneste, sier han, som selv jobber cirka ti prosent i prosjektet.

Materialteknologer, biologer, kjemikere og bioteknologer ved NTNU og Sintef samarbeider i Solbiopta.

Mathilde S. Chauton og Marit Eggen

Biolog Matilde Skoger Chauton til høyre har hovedansvaret for å passe på algene. Marit Eggen er masterstudent, og er glad for at hun får tatt mastergraden sin i prosjektet.

Foto: Mathilde Torsøe

Passes nøye på

På et stille, hvitt laboratorium på NTNU Gløshaugen lever det som kan bli modeller og råmateriale for fremtidens solceller.

Algene er i beholdere med boblende vann. Noen av beholderne har gjennomsiktig vann, andre har gult mens andre igjen har grønt.

Algekoloniene står i lukkede skap, og blir til punkt og prikke passet på av biolog Matilde Skoger Chauton og masterstudent Marit Eggen. I noen av beholderne ser man tydelig klumper av alger som flyter rundt.

Det er hovedsakelig Chaunton som jobber med selve algedyrkningen.

– Vi velger arter vi vet vi får til og som har de egenskapene vi vil ha. Noen gror sakte, noen gror på veggene og ikke midt i vannet, mens andre igjen ikke gror i det hele tatt, sier Chauton.

De mikroskopiske organismene er kresne i matveien.

– Algene er forskjellige, og noen er mer kravstore enn andre. Vi gir dem sterilisert sjøvann, silikat, nitrogen, fosfor, vitaminer og sporstoffer, ramser Chauton opp.

– Våre alger får litt mer næring enn de viltlevende for at de skal vokse fortere.

Kopierer med nanoteknologi

Forskerne kopierer skallene ved hjelp av nanoteknologi. Skallmodellene lages i ulike materialer, blant annet gull. Fordi gull er et fleksibelt materiale er det velegnet for å lage støpeformer av.

– Hittil har vi bare brukt én måte for å kopiere algeskallene. Det har fungert bra, men vi har kun gjort det i en liten skala til nå, sier Tranell.

– Vi også prøvd litt på å belegge kopiene med andre materialer enn gull. Vi har lagt på materialer som vi vet ofte legges i dagens solceller, legger hun til.

Koloni med kiselalger

De små, gulaktige klumpene på denne beholderen kan hjelpe til med å utvikle langt bedre solceller enn vi har i dag.

Foto: Mathilde Torsøe

Solceller om noen år

Når kan vi vi forvente produksjon av solceller med algeskall og nanoteknologi? Det er det store spørsmålet. Tranell tenker seg lenge om før hun svarer.

– Vi kan lage labceller med kopiene i løpet av et par år, hvis vi får lagt dem på en overplate og inkorporert de i en enkel solcellestruktur. Men hvorvidt dette går økonomisk eller er ekstremt lurt, er en annen sak.

Vadstein holder litt mer tilbake enn Tranell i sin framtidshypotese.

– Om fem- seks år kan vi se hvorvidt dette er noen farbar vei. Om dobbelt så lang tid kan vi mest sannsynlig starte kommersiell produksjon av solceller.

Fordi forskningen er såpass ny synes Vadstein det er svært viktig å tenke bredt. Da tar også ting litt lenger tid enn om de bare skulle satset på én ting ved algene.

– Vi har egentlig ikke faglig forutsetning til å vite hvilken vei vi burde gå hvis vi skal satse på et smalt felt. Det tror jeg ikke noen andre i verden heller har, for den saks skyld.

Uvisst rundt skallenes utvikling

Biologer har mange teorier på hvorfor kiselalgene har utviklet skall med perfekt symmetriske former.

Mange av kiselagene er blomstrende alger, og når de blomstrer er det mange alger som må dele på lyset som når ned i vannet. En sterk teori er at de har utviklet skallene for å utnytte den begrensede mengden lys best mulig. En annen teori er at skallet gir mekanisk beskyttelse av cellen innenfor.

– Skallet er helt opplagt noe som skal holde cellekroppen på plass. Algene trenger også en åpen struktur for å kunne ta inn de næringsstoffene de trenger, sier Vadstein.

– Man kan si at skallets egenskaper er et resultat av et evolusjonært kompromiss over lang tid, som løser mange ting på en gang for algen, fortsetter han.

Nærbilde alge

Dette mønsteret i kiselalgen coscinodiscus wailesii ligner litt på en blomst.

Foto: Anita Fossdal, Sintef Materialer og kjemi

Utfordringer hele tiden

Forskerne forteller at de støter på små og store utfordringer hele veien fordi prosjektet er så nytt.

– En praktisk ting som å produsere nok alger er blant annet noe som byr på problemer, sier Vadstein.

Han forteller at mange jobber med å forbedre dyrkingsteknologien fordi det generelt er ganske stor interesse for dyrking av mikroalger.

Algene blir vasket med syre før skallet blir kopiert, og det byr på utfordringer.

– Vi må fjerne en del når vi skal ha produktet vårt; for eksempel cellen og organisk materiale.

– Det skjer vanligvis ved hjelp av kjemikalier eller temperatur, og da utsettes strukturen i algen for stress. Ved å gjøre dette får vi algen ren, men det kan også gøre at vi mister noen viktige egenskaper igjen, sier Vadstein.

Halvferdige tidsmessig

Solbiopta har nå pågått i to år av den foreløpig fireårige tidsrammen.

– Nå har vi kommet så langt at vi ser mulighetene til å bruke algene i solcellemateriale. Vi har hvertfall lært oss hvordan vi kan utnytte strukturene i skallet, og det er jo det prosjektet til en stor grad går ut på, sier Tranell.

Ifølge Vadstein har alger lenge vært et yndet forskningsobjekt. Forskningen som hittil er gjort er imidlertid ikke så aktuell for dette prosjektet.

Forskerne har blant annet studert litteratur fra 1800-tallets England for å finne ut hvilke alger som passer best til deres bruk.

Den gang var nemlig alger gjenstand for stor fascinasjon hos britiske gentlemen, som hadde nok tid og penger. Adelsmennene klassifiserte dem i store bind. Den gang visste de nok lite om at arbeidet deres et par hundreår senere kunne bidra til effektive, billige solceller.